干濕-凍融循環交替耦合作用下水工混凝土中氯離子滲透性能試驗研究

王賀楠

(盤錦禹泰水利工程質量檢測有限公司，遼寧 盤錦 124200)

對于北方沿海地區特別是水位變化區的水工混凝土結構耐久性，其關鍵影響因素有氯鹽侵蝕、干濕循環和凍融循環等[1-3]。目前，研究水工混凝土耐久性受多種因素耦合作用的還較少。所以，探討水工混凝土受干濕-凍融循環交替耦合作用下的氯離子侵蝕過程，并進一步揭示有害離子侵蝕與孔隙率之間的關系，對于改善水工混凝土耐久性和延長工程結構服役年限等具有重要意義。

1 原材料性能

試驗采用天瑞P·MH 42.5級中熱硅酸鹽水泥，礦物摻合料選用綏中電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，粗、細骨料選用粒徑5～20mm和20～40mm兩種級配碎石及灰巖人工砂，石粉含量可忽略不計，外加劑利用海韻BT-4012型高效引起減水劑，經檢測各原材料性能均符合現行標準要求，以自來水作為拌合水和養護水。

1)基準組：設計基準混凝土水膠比0.40，含氣量4.5%，坍落度60mm，砂率32%，標號等級C30W6F200，基準混凝土配合比，見表1。

2)單摻組：輕燒氧化鎂摻量3%，束狀單絲聚丙烯纖維摻量1kg/m3，纖維長度10～20mm。

3)雙摻組：以基準組為原則雙摻1kg/m3聚丙烯纖維和3%輕燒氧化鎂。

表1 基準混凝土配合比

2 試驗方法

2.1 制備試件

干濕-凍融循環交替耦合試驗統一選用標準抗凍試件，試件制備與養護流程為：①按照設計配合比依次稱量所取原材料，然后遵循先粗、細骨料，再凝膠材料、摻合料，最后外加劑與水混合液的順序向攪拌機內投料；②設定攪拌時間180s，攪拌均勻后倒出拌合物，分層裝入預先準備好的模具，機械振搗密實后室內靜置24h；③成型后脫模，將試件放入標養環境中(濕度≥95%、溫度20℃±2℃)養護至規定齡期28d。

試驗過程中，先從標養室取出試件并放入烘箱烘至恒重，設定烘箱溫度80±5℃，然后取出自然冷卻至恒溫，采用環氧樹脂密封5個表面(除成型面)，以防外界的氯離子、水分與其它表面發生交換，確保氯離子沿單一成型面向混凝土內部滲透。

2.2 干濕-凍融耦合作用

考慮到現行規范尚未統一規定干濕-凍融循環交替耦合試驗方法，所以按照先凍融循環、再干濕循環的方式進行試驗。目前，主要有確定一定連續次數的干濕-凍融為一個大的耦合循環(方法一)、單次干濕-凍融循環耦合(方法二)兩種[4-5]。對于自然完整年，在夏季和秋季混凝土僅受干濕循環作用，而在春季和冬季混凝土僅受凍融循環作用。所以，為更加真實地模擬自然環境下水工構筑物的服役狀態，選擇一定連續次數的干濕-凍融循環為一個大的耦合循環更加接近實際情況。除特殊說明，文章均利用“方法一”測試干濕-凍融循環試驗數據。

現場和室內環境下，混凝土經受的單次凍融循環明顯不同，現場環境一年中經歷的凍融循環次數選擇年均等效凍融循環次數neq，具體表達式為[6]：

neq=K×nact/S

(1)

式中：K為混凝土受凍融循環時的飽含水時間比例系數；S為室內外凍融條件下凍融損傷比例系數；nact為年均現場凍融循環次數。

北方地區現場環境累積年均正負溫交替次數利用中國氣象局統計的歷史氣象數據確定，即(80～100)次/a。由于負溫天氣持續時間較長，將現場年凍融循環次數進行修正調整后取nact=(100～120)次/a，考慮試驗目的取最大值nact=120次/a。此外，飽含水比例系數K、室內外凍融損傷比例系數S取1和8.25～15.10，代入數據，經計算室內等效現場年凍融循環次數neq為(7.95～14.55)次/a，故取最大值14.55次/a，取整數15次/a。所以，一次干濕-凍融循環交替耦合試驗為先15次連續凍融(2.5d)再15個連續干濕循環(30d)。

2.3 測定氯離子含量

對于不同深度處的自由氯離子含量考慮利用化學滴定的方式進行測試，并用質量百分比代表自由氯離子含量[7-10]。依據JTST 236-2019《水運工程混凝土試驗檢測技術規范》有關要求，深度>10mm時，每隔5mm測試一次；深度≤10mm時，每隔2mm測試一次。

2.4 測定孔隙率

水工混凝土是一種由多種材料復合而成的多孔結構，其抗氯離子侵蝕和抗凍性能主要取決于孔隙率的分布及其大小[11]。對于混凝土孔隙率φ考慮利用浸泡法進行測試，計算公式為：

(2)

式中：ρc為試件飽水后的密度；ρw為常溫下水的密度，g/cm3；mc、m0為試件的飽水質量和干燥質量，g。

3 結果與分析

3.1 混凝土孔隙率

將水工混凝土試樣依照設計流程進行干濕-凍融循環交替耦合試驗，干濕-凍融循環達到預定次數后取出，并利用鋼鋸將試件切割兩部分，分別用于試樣孔隙率和不同深度處氯離子含量的測定[12]。在達到干濕-凍融循環預定次數后，計算測得混凝土吸水率和孔隙率，方法一測試的混凝土孔隙率，見表2。此外，為進一步比較“方法一”和“方法二”的區別，文章利用“方法二”測試30次干濕-凍融耦合作用的混凝土孔隙率，方法二測試的混凝土孔隙率，見表3。

表2 方法一測試的混凝土孔隙率

表3 方法二測試的混凝土孔隙率

由表2～3可知，對于一定連續次數的干濕-凍融為一個大的耦合循環試驗，隨著循環次數的增加所有試件的吸水率均表現出上升趨勢。采用“方法一”測試基準混凝土的孔隙率，耦合循環1次、2次、3次、4次時的孔隙率較前次分別增大了0.64%、1.04%、1.11%、1.25%，主要規律如下：

1)從低到高混凝土孔隙率變化速率為：雙摻組<單摻聚丙烯纖維組<單摻輕燒氧化鎂組<基準組，隨循環次數增加混凝土孔隙率均呈不斷增大趨勢。

2)輕燒氧化鎂組與基準組的孔隙率相差不大，而聚丙烯纖維組與雙摻組孔隙率變化相差不大，并且聚丙烯纖維組和雙摻組的孔隙率增大速率整體小于輕燒氧化鎂組、基準組的增大速率。由于混凝土孔隙率受短時間干濕循環的影響較小，故混凝土受凍融損傷產生的微裂縫是引起孔隙率變化的關鍵原因[13-14]。此外，摻輕燒氧化鎂組和基準組的抗凍性能要小于摻聚丙烯鮮味足及雙摻組，混凝土抗凍性能受外摻輕燒氧化鎂的影響較低。

3)對比“方法一”和“方法二”測定的歷經15凍融、30次干濕循環孔隙率發現，采用“方法一”測定的雙摻組、摻聚丙烯纖維組、摻輕燒氧化鎂組、基準組的孔隙率0.53%、0.57%、0.63%、0.64%。而利用“方法二”測定的孔隙率分別增加0.95%、1.05%、1.14%、2.32%；對于歷經30次凍融、30次干濕循環的混凝土孔隙率，利用兩種方法測試的結果也具有明顯差異。因此，在凍融循環與循環次數相同的情況下，按“方法一”產生的混凝土損傷遠小于“方法二”。所以，對于干濕-凍融循環下混凝土的抗氯離子性能，利用“方法二”測試結果要低于實際情況。

3.2 自由氯離子含量

干濕-凍融循環交替耦合作用下四種混凝土試件的氯離子濃度檢測結果，氯離子含量分布圖，見圖1。研究表明，水工混凝土中的自由氯離子含量峰值，在經歷一個耦合循環作用時向內延伸了一個測量距離。由于受耦合作用，凍融循環引起的混凝土損傷是促使氯離子向內侵蝕的決定因素，內部微觀孔隙結構發生明顯改變，裂縫開始貫通，從而加速了氯離子的滲透和擴散。

(a)基準組 (b)輕燒氧化鎂組

在經歷一次耦合循環后輕燒氧化鎂組和基準組的自由氯離子峰值會深入一個測量距離，在經歷3次耦合循環后聚丙烯鮮味足的自由氯離子峰值才向內延伸一個測量距離，雙摻組經歷4次耦合循環時的峰值深度仍未發生改變，只是氯離子含量峰值逐漸增加。可見，受干濕-凍融耦合作用時四種混凝土的抗氯離子侵蝕能力，從低到高排序依次為基準組<輕燒氧化鎂組<聚丙烯纖維組<雙摻組。

4 結 語

水工混凝土受干濕-凍融循環交替耦合作用時，其孔隙率變化速率與抗氯離子侵蝕性能直接相關，其抗侵蝕能力從低到高排序為基準組<輕燒氧化鎂組<聚丙烯纖維組<雙摻組。由于受耦合作用，凍融循環引起的混凝土損傷是促使氯離子向內侵蝕的決定因素，內部微觀孔隙結構發生明顯改變，裂縫開始貫通，從而加速了氯離子的滲透和擴散。

此外，采用不同方法測定的試驗結果有所差異，對于干濕-凍融循環下混凝土的抗氯離子性能，利用“方法二”測試結果要低于實際情況。因此，復雜條件下必須選用合適的試驗方法，才能保證混凝土耐久性試驗結果精準度。